igbt模块结温计算及其状态评估方法研究

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1、分类号：TM386.2密级：UDC：621.3编号：201421401045河北工业大学硕士学位论文IGBT模块结温计算及其状态评估方法研究论文作者：许亚惠学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：电气工程指导教师：李玲玲职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金(51475136)天津市科技特派员项目(16JCTPJC50700)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectricalEngineeringRESEARCH

2、ONJUNCTIONTEMPERATURECALCULATIONANDSTATEEVALUATIONMETHODOFIGBTMODULEByXuYahuiSupervisor:Prof.LiLinglingNovember2016ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51475136.andtheTianjinScienceandTechnologyCommissionerProject.No.16JCTPJC50700.摘要IGB

3、T模块各层材料的热膨胀系数不同，工作过程中的温度循环波动使其内部连接处受到不同的热机械应力，长此以往将导致模块老化失效，故IGBT结温的精确计算及老化状态评估对提高其可靠性具有重要意义。论文以IGBT模块为研究对象，在其失效机理、功耗计算、结温计算和老化状态评估等方面开展了研究。第一，对IGBT模块的失效机理进行归纳分析，揭示了IGBT模块各层材料热膨胀系数不同以及工作过程中的温度循环波动是导致引线和焊料层疲劳失效的主要原因，这为建立电-热耦合模型以及评估老化状态提供了相关理论依据。第二，以三相逆变器为例详细介绍了IGBT

4、模块的功率损耗计算模型和热网络模型的建立过程，并搭建了SPWM控制逆变器IGBT模块的电-热耦合仿真模型，仿真结果表明IGBT和FWD结温呈周期性波动，且结温波动均值经短时上升后稳定于某一恒定值。第三，对IGBT模块进行∆Tc功率循环加速老化试验，并每间隔1000次功率循环，测取一次IGBT饱和压降同结温和集电极电流的三维关系曲面、瞬态热阻抗曲线、开关能耗，进而研究了不同功率循环次数时各电热参数的变化规律。结果表明，随着IGBT模块的老化，在相同工况下各电热参数的增幅越来越大，功率循环6000次后，饱和压降、阈值电压、导通

5、电阻、开通能耗、关断能耗和热阻较初始值分别增大了4.14%、4.18%、4.21%、12.01%、18.87%和22.65%，而不同功率循环次数下饱和压降、结温和集电极电流三者间的内在关系没有明显变化，因此饱和压降可作为状态参量对模块老化状态进行评估。第四，通过改变电热参数建立了不同功率循环次数下的电-热耦合模型，并分析了模块老化进程中不同电热参数改变对结温计算结果的影响，然后研究了不同工况下IGBT模块老化对电-热耦合模型结温计算精度的影响，最后提出了考虑模块老化状态的电-热耦合模型。结果表明，在相同工况下结温增幅随着I

6、GBT模块的老化逐渐加大，功率循环6000次后IGBT相对温升和相对温度波动分别为37.39%和15.61%。因此，随着IGBT模块老化程度加深，电-热耦合模型的结温计算精度逐渐降低，考虑模块老化状态的电-热耦合模型能够更加精确的计算IGBT模块结温。关键词:IGBT模块；电热参数；结温计算；状态评估；老化试验IABSTRACTThecoefficientofthermalexpansionmismatchbetweenIGBTlayers,andthetemperaturefluctuationinprocessiono

7、fworkwouldcauseinternalconnectionissubjectedtodifferentthermalmechanicalstress,whichwillleadtoIGBTmoduleaging.Therefore,theaccuratecalculationofIGBTjunctiontemperatureandtheevaluationofagingstatehaveimportantsignificancetoimprovethereliabilityofIGBTmodule.TheIGBTm

8、oduleisstudiedintheaspectsofitsfailuremechanism,powercalculation,junctiontemperaturecalculationandagingstateevaluation.Firstly,thefailuremechanismofIGBT